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JPS6348025B2 - - Google Patents
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JPS6348025B2 - - Google Patents

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Publication number
JPS6348025B2
JPS6348025B2 JP57197734A JP19773482A JPS6348025B2 JP S6348025 B2 JPS6348025 B2 JP S6348025B2 JP 57197734 A JP57197734 A JP 57197734A JP 19773482 A JP19773482 A JP 19773482A JP S6348025 B2 JPS6348025 B2 JP S6348025B2
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JP
Japan
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pulsed laser
distance
laser beam
light
reflected
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Application number
JP57197734A
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Japanese (ja)
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JPS5988673A (en
Inventor
Yasuji Suzaki
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06Systems determining position data of a target
    • G01S17/08Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/10Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of interrupted, pulse-modulated waves

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  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Measurement Of Optical Distance (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、測地や地殻変動の観測などの遠距離
の測距に好適なレーザ測距装置に関するものであ
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Application of the Invention] The present invention relates to a laser ranging device suitable for long-distance ranging such as geodetic measurement and observation of crustal deformation.

〔従来技術〕[Prior art]

従来から遠距離の測距には、パルスレーザ方式
によるレーザ測距装置が広く使用されている。
BACKGROUND ART Conventionally, pulsed laser distance measuring devices have been widely used for long distance measuring.

これは、人工衛星システム、月測距システム等
の例で知られているように、大出力のパルスレー
ザ光が目標まで往復する時間をタイムインターバ
ルカウンター等で測定し、その目標までの距離を
求めるものであるが、その精度は数cmが限度であ
る。
As is known from the examples of artificial satellite systems and lunar ranging systems, this method uses a time interval counter to measure the time it takes for a high-output pulsed laser beam to travel back and forth to the target, and then calculates the distance to the target. However, its accuracy is limited to a few centimeters.

ところで、近年、地震予知などを目的とする測
地では、年間1cm程度の距離変位を数十Kmの区間
において検出しうることが必要とされている。
Incidentally, in recent years, in geodetic systems for the purpose of earthquake prediction, etc., it has become necessary to be able to detect distance displacements of about 1 cm per year over an interval of several tens of kilometers.

これに対して、従来のパルスレーザ方式のレー
ザ測距装置は、上述のごとく、地震変動観測など
の目的に対しては、その所要の測定精度の点から
充分に応じうるものではない。
On the other hand, as mentioned above, conventional pulsed laser type laser distance measuring devices are not capable of sufficiently meeting purposes such as earthquake fluctuation observation in terms of the required measurement accuracy.

その原因は、現在のレーザ技術によれば、パル
ス幅が数ps〜数十ps(長さに換算して数百μm〜数
mm)の強力なパルスレーザ光が得られているにも
かかわらず、レーザ測距装置の主要構成部分であ
る光電子増倍管、パルスアンプ、スレシホールド
回路、タイムインタバルカウンター系における応
答が上記パルスレーザ光を忠実に処理しうる程度
に高速化されておらず、また、これらの回路系で
の遅延、タイムジツター等による不確定要素が存
在するからである。すなわち、現状ではパルスレ
ーザ光のパルス幅として数百ps(長さに換算して
数cm)のものが最良のものとなつている。
The reason for this is that according to current laser technology, the pulse width ranges from several ps to several tens of ps (converted to a length of several hundred μm to several tens of ps).
Despite the fact that a powerful pulsed laser beam of mm) is obtained, the response of the photomultiplier tube, pulse amplifier, threshold circuit, and time interval counter system, which are the main components of a laser rangefinder, is This is because the speed is not high enough to faithfully process laser light, and there are uncertain factors such as delays and time jitter in these circuit systems. That is, at present, the best pulse width of pulsed laser light is several hundred ps (several centimeters in terms of length).

なお、レーザ測距装置にはレーザ変調方式のも
のもあり、ジオジメータ、光波測距儀などの名称
で知られている。これは、その精度は相当に高い
のに反して比較的近距離(数十Km以下)の測距に
しか適用できず、上述のごとき地殻変動観測用に
は使用することができない。
Note that some laser distance measuring devices use a laser modulation method, and are known by names such as geodimeters and light wave distance meters. Although its accuracy is quite high, it can only be applied to relatively short distance measurements (less than several tens of kilometers), and cannot be used for crustal deformation observation as described above.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点をな
くし、地殻変動観測など遠距離区間の直接的な測
距を所望の高精度で行いうるレーザ測距装置を提
供することにある。
An object of the present invention is to eliminate the drawbacks of the prior art described above and to provide a laser ranging device that can directly measure distances over long distances, such as crustal deformation observation, with desired high accuracy.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明に係るレーザ測距装置の構成は、所定幅
のパルスレーザ光を発射するパルスレーザ発振器
と、レーザ光干渉を利用して往復反射、間隔を所
定精度で所定値に制御・保持するようにした空洞
共振系と、入射されるパルスレーザ光についての
時間差を検出するストリークチブカメラ系と、上
記パルスレーザ発振器から発射されたパルスレー
ザ光を受け、これを測距対象の標的および上記空
洞共振系に対して分岐・投射せしめるとともに、
それらからの上記パルスレーザ光の各反射光を上
記ストリークチユーブカメラ系に入射せしめるよ
うにする送受光学系とを少なくとも具備し、上記
標的から反射されてくるパルスレーザ光と上記空
洞共振系内で往復反射をして取り出されたパルス
レーザ光とを検出・識別し、それら両パルスレー
ザ光間の時間差に相当する距離と上記空洞共振器
内でのパルスレーザ光の往復距離とにより、上記
標的までの距離を算出・測定しうるようにしたも
のである。
The configuration of the laser distance measuring device according to the present invention includes a pulsed laser oscillator that emits a pulsed laser beam of a predetermined width, and a back-and-forth reflection that uses laser beam interference to control and maintain the interval at a predetermined value with a predetermined accuracy. a streaky camera system that detects the time difference between the incident pulsed laser beams, and a streaky camera system that receives the pulsed laser beams emitted from the pulsed laser oscillator and transmits the pulsed laser beams to the target to be ranged and the above-mentioned cavity resonant system. In addition to branching and projecting against
It includes at least a transmitting/receiving optical system that allows each reflected light of the pulsed laser light from them to enter the streak tube camera system, and the pulsed laser light reflected from the target reciprocates within the cavity resonant system. The reflected pulsed laser beam and the extracted pulsed laser beam are detected and identified, and the distance to the target is determined by the distance corresponding to the time difference between the two pulsed laser beams and the round trip distance of the pulsed laser beam within the cavity resonator. This allows distances to be calculated and measured.

これを要するに、測距に係る絶対距離の基準と
して上記空洞共振系を用い、これにストリークカ
メラ系を組み合せることにより、測定装置の歪、
ジツタを極小にするとともに、同遅延量を物理的
に確定せしめ、極めて短かいパルスレーザ光の特
徴を充分に活用し、遠距離測距の高精度化を可能
としたものである。
In short, by using the above-mentioned cavity resonance system as a standard for absolute distance related to distance measurement and combining it with a streak camera system, distortion of the measuring device can be reduced.
This minimizes jitter, physically determines the amount of delay, and makes full use of the characteristics of extremely short pulsed laser light, making it possible to achieve high precision in long-distance distance measurement.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

以下、本発明の実施例を図に基づいて説明す
る。
Embodiments of the present invention will be described below based on the drawings.

第1図は、本発明に係るレーザ測距装置の一実
施例の構成系統図、第2図は、空洞共振出力光パ
ルス列の波形図である。
FIG. 1 is a structural diagram of an embodiment of a laser ranging device according to the present invention, and FIG. 2 is a waveform diagram of a cavity resonant output optical pulse train.

ここで、101はパルスレーザ発振器、102
はパルスレーザ発振器101から出力(発射)し
たパルスレーザ光、102−1,102−2は分
岐したパルスレーザ光、102−3,102−4
は反射パルスレーザ光、103は送受光学系に係
る光学的ビームスプリツターである。
Here, 101 is a pulse laser oscillator, 102
102-1, 102-2 are pulsed laser beams output (emitted) from the pulsed laser oscillator 101, 102-1, 102-2 are branched pulsed laser beams, 102-3, 102-4
103 is a reflected pulsed laser beam, and 103 is an optical beam splitter related to the transmitting/receiving optical system.

104は空洞共振系に係る空洞共振器形鏡装置
で以下の各部104−1〜104−5からなり、
104−1,104−2は平面反射鏡、104−
3は変位の修正ドライブ機構を有する鏡支持台、
104−4は固定の鏡支持台、104−5は光路
長を一定にするための真空チヤンバーである。1
05は、同じく空洞共振系に係るレーザ干渉計で
あつて、105−1〜105−5はその光学系
で、105−1はコーナキユーブ鏡、105−2
は直角プリズム、105−3はビームスプリツタ
ー、105−4は平面鏡、105−5はレンズで
ある。また、106も、同じく空洞共振系に係
る、レーザ干渉計105の波長安定化用のレーザ
発振器、107は同光検知器、108は同位相検
知器、109は同増巾器である。なお、110は
空洞共振形鏡装置104に対するサーボドライバ
ーである。
104 is a cavity resonator type mirror device related to a cavity resonance system, which is composed of the following parts 104-1 to 104-5,
104-1, 104-2 are flat reflecting mirrors, 104-
3 is a mirror support having a displacement correction drive mechanism;
104-4 is a fixed mirror support, and 104-5 is a vacuum chamber for keeping the optical path length constant. 1
05 is a laser interferometer also related to a cavity resonance system, 105-1 to 105-5 are its optical systems, 105-1 is a corner cube mirror, 105-2
is a right angle prism, 105-3 is a beam splitter, 105-4 is a plane mirror, and 105-5 is a lens. Also, 106 is a laser oscillator for wavelength stabilization of the laser interferometer 105, which also relates to the cavity resonance system, 107 is a photodetector, 108 is a phase detector, and 109 is an amplifier. Note that 110 is a servo driver for the cavity resonant mirror device 104.

111は送受光学系に係る集光レンズ、112
は同ビームスプリツター、113は同レンズ、1
14は同光検知器、115は同利得制御増幅器、
116は同ゲート回路、117は同パルスカウン
ター、118,119は同反射鏡、120は同レ
ンズ、121は同検知器、122は同電動シヤツ
ター、123は同スリツト、124は同レンズで
ある。
111 is a condensing lens related to the transmission/reception optical system; 112
is the same beam splitter, 113 is the same lens, 1
14 is the same photodetector, 115 is the same gain control amplifier,
116 is the same gate circuit, 117 is the same pulse counter, 118 and 119 are the same reflecting mirrors, 120 is the same lens, 121 is the same detector, 122 is the same electric shutter, 123 is the same slit, and 124 is the same lens.

125は、ストリークチユーブカメラ系に係る
ストリークチユーブ、125−1は、その光電
面、125−2は同偏向板、125−3は同チヤ
ンネル形光電子増倍プレート、125−4は同螢
光板、126は同掃引電圧発生回路、127は同
レンズ、128は同系に係る撮像カメラ、129
は同じくアナライザ、130は同じく表示器で、
131,132は、その信号映像を示す。
125 is a streak tube related to the streak tube camera system; 125-1 is a photocathode thereof; 125-2 is a deflection plate thereof; 125-3 is a channel type photomultiplier plate; 125-4 is a fluorescent plate; 127 is the same sweep voltage generation circuit, 127 is the same lens, 128 is the same type of imaging camera, 129
is also an analyzer, 130 is also a display,
131 and 132 indicate the signal images.

なお、133は測距対象の標的反射器である。 Note that 133 is a target reflector to be measured.

まず、パルスレーザ発振器101から出力した
パルスレーザ光102は、ビームスプリツター1
03によつて102−1,102−2に分岐され
る。そのパルスレーザ光102−1は標的133
に向けて、同光102−2は空洞共振器形鏡装置
104の平面反射鏡104−1の面に垂直に入射
するように分岐される。
First, the pulsed laser beam 102 output from the pulsed laser oscillator 101 is transmitted to the beam splitter 1
03, it is branched into 102-1 and 102-2. The pulsed laser beam 102-1 is directed to the target 133.
The light 102-2 is branched so as to be perpendicularly incident on the plane of the plane reflecting mirror 104-1 of the cavity resonator mirror device 104.

標的反射器133で反射されたパルスレーザ光
102−3は集光レンズ111に入射する。一
方、上記平面反射鏡104−1に入つた光は距離
Lを隔てて対峙する平面反射鏡104−2との間
を繰り返し往復反射する。平面反射鏡104−1
は一部の光が透過するようにしてあり、平面反射
鏡104−1,104−2間をパルスレーザ光が
往復するごとに、その一部を反射パルスレーザ光
102−4として外部へ射出する。結果として第
2図に示すような光パルス列が平面反射鏡104
−1から出力される。
The pulsed laser beam 102-3 reflected by the target reflector 133 enters the condenser lens 111. On the other hand, the light entering the plane reflecting mirror 104-1 is repeatedly reflected back and forth between the plane reflecting mirror 104-2, which faces the plane reflecting mirror 104-2 at a distance L. Plane reflector 104-1
is designed to allow a part of the light to pass through, and each time the pulsed laser light goes back and forth between the plane reflecting mirrors 104-1 and 104-2, a part of it is emitted to the outside as reflected pulsed laser light 102-4. . As a result, a light pulse train as shown in FIG.
-1 is output.

平面反射鏡104−1,104−2間の間隔L
は、レーザ干渉計105および同付属回路106
〜109とサーボドライバー110とにより、一
定長に精密に制御保持される。同干渉計精度は、
主にレーザ発振器106の波長安定度によつて決
まるが、現在製品レベルで10-8〜10-9程度であ
る。このように、入射パルスレーザ光104−2
は、上記のように空洞共振形鏡装置104におい
てレーザ光干渉を受けた後、反射パルスレーザ光
102−4として出力される。
Distance L between plane reflecting mirrors 104-1 and 104-2
is a laser interferometer 105 and its attached circuit 106
~109 and the servo driver 110, the length is precisely controlled and maintained at a constant length. The interferometer accuracy is
It mainly depends on the wavelength stability of the laser oscillator 106, which is currently about 10 -8 to 10 -9 at the product level. In this way, the incident pulsed laser beam 104-2
is subjected to laser beam interference in the cavity resonant mirror device 104 as described above, and then output as a reflected pulsed laser beam 102-4.

平面反射鏡104−1からの出力光102−4
は、ビームスプリツター103で反射して標的反
射器133からの反射光と同様にレンズ111に
入射する。
Output light 102-4 from plane reflecting mirror 104-1
is reflected by the beam splitter 103 and enters the lens 111 in the same way as the reflected light from the target reflector 133.

集光レンズ111に入射した光は、ビームスプ
リツター112で一部が分岐され、レンズ113
によつて検知器114に集光入射される。
A part of the light incident on the condensing lens 111 is split by the beam splitter 112, and then the light enters the lens 113.
The light is condensed and incident on the detector 114.

平面反射鏡104−1からの出力光パルス列の
波高値は、第2図に示すように回折・反射および
往復ごとの射出損失によつて漸次に減小する。こ
の損失、減小の様子は、装置としてのパラメー
タ、すなわち平面反射鏡104−1,104−2
の反射率、鏡間隔(往復間隔)Lおよび入射パル
スレーザ光102−2の径と拡がり角などが与え
られれば理論的に計算することができる。最終的
には実験的に確認することも可能である。
As shown in FIG. 2, the peak value of the output optical pulse train from the plane reflecting mirror 104-1 gradually decreases due to diffraction, reflection, and exit loss during each round trip. The state of this loss and reduction is determined by the parameters of the device, that is, the plane reflecting mirrors 104-1 and 104-2.
It can be calculated theoretically if the reflectance of , the mirror interval (reciprocating interval) L, the diameter and spread angle of the incident pulsed laser beam 102-2, etc. are given. Ultimately, it is also possible to confirm experimentally.

入射パルスレーザ光102−2のパワーをP0
平面反射鏡104−1の入射パルスレーザ光に対
する反射率をR1(透過率を1−R1とする。)、平面
反射鏡104−2の反射率をR2とすると、n回
の反射後の出力Poは、次式で与えられる。
The power of the incident pulsed laser beam 102-2 is P 0 ,
If the reflectance of the flat reflecting mirror 104-1 to the incident pulsed laser beam is R 1 (transmittance is 1-R 1 ), and the reflectance of the flat reflecting mirror 104-2 is R 2 , then after n times of reflection, The output P o of is given by the following equation.

Po=P0(1−R12Rn-1 1Rn 2 ………(1) 反射率R2を100%とすれば Po=P0(1−R12Rn-1 1 ………(2) また、n回目の出力を最大とする平面反射鏡1
04−1の反射率の条件は、∂Po/∂R1=0から、 R1=(n−1)/(n+1) ………(3) であることが分る。
P o = P 0 (1-R 1 ) 2 R n-1 1 R n 2 ......(1) If reflectance R 2 is 100%, P o = P 0 (1-R 1 ) 2 R n -1 1 ………(2) Also, the plane reflector 1 whose output is the maximum at the nth time
It can be seen that the condition for the reflectance of 04-1 is R 1 =(n-1)/(n+1) (3) from ∂P o /∂R 1 =0.

更に、回折損失については、例えば平面反射鏡
104−1を円形とし、その直径をD1、入射レ
ーザビームの直径をd、その拡がり角をθtとする
と、n回反射後に平面反射鏡104−1の大きさ
の範囲内にある光量の率αは次のように与えられ
る。
Furthermore, regarding diffraction loss, for example, if the plane reflecting mirror 104-1 is circular, its diameter is D 1 , the diameter of the incident laser beam is d, and its divergence angle is θ t , then after n times of reflection, the plane reflecting mirror 104 - The rate α of the amount of light within a magnitude range of 1 is given as follows.

α=D2/(d+2nLθt2 ………(4) ただし、d+2nLθt>D2の場合とする。 α=D 2 /(d+2nLθ t ) 2 (4) However, assume that d+2nLθ t >D 2 .

拡がり角θtは、レーザビームの場合、回折のみ
の拡がり角に近い設定が可能であるので、 θt=2.44λ/d ………(5) で与えられる。ここでλはレーザビームの波長を
表わす。
In the case of a laser beam, the divergence angle θ t can be set close to the divergence angle of only diffraction, so it is given by θ t =2.44λ/d (5). Here, λ represents the wavelength of the laser beam.

以上、式(1)〜(5)などにより、平面反射鏡104
−1からの出力波高値の変化を予測しうる。
As described above, according to formulas (1) to (5), etc., the plane reflecting mirror 104
It is possible to predict the change in the output peak value from -1.

利得制御増巾器115は、上記のような波高値
変化に対応して利得が変化する増巾器で、出力電
気的パルスの波高値を一定にするためのものであ
る。
The gain control amplifier 115 is an amplifier whose gain changes in response to the change in the peak value as described above, and is used to keep the peak value of the output electrical pulse constant.

すなわち、検出器114で電気信号に変換され
たパルスレーザ光は、利得制御増巾器115、ゲ
ート回路116を経てパルスカウンター117に
入る。最初のパルスは平面反射鏡104−1から
の直接反射光であるが、これがカウンタースター
トをさせ、次のパルスからカウントをするように
論理が組まれている。カウンターストツプは反射
鏡118,119とレンズ120、検知器121
とによつて検知される標的反射器133からの反
射パルスレーザ光信号によつて行われる。すなわ
ち、このカウント数が往復反射回数nとなる。
That is, the pulsed laser light converted into an electric signal by the detector 114 enters the pulse counter 117 via the gain control amplifier 115 and the gate circuit 116. The first pulse is directly reflected light from the plane reflecting mirror 104-1, and the logic is such that this starts a counter and counts from the next pulse. The counterstop includes reflectors 118 and 119, a lens 120, and a detector 121.
This is done by the reflected pulsed laser light signal from the target reflector 133, which is detected by. That is, this count number becomes the number of round trip reflections n.

検知器121からの出力信号は、またストリー
クチユーブ125の掃引電圧発生回路126のト
リガー信号としても使われる。掃引電圧の発生
は、標的133からの反射パルスレーザ光がスト
リークチユーブ125の光電面125−1に到達
するのに同期して行われる。この同期の最適化調
整は、反射鏡118,119の間隔またはケーブ
ル長などで遅延時間を変えることによつて可能で
ある。掃引の長さは、少なくとも標的反射器13
3からの反射パルスレーザ光との平面反射鏡10
4−1からの1つの出力光とが1回の掃引の中に
入るようになつている必要がある。更に高分解能
を得るためには、2つのパルスが接近しているこ
とが必要である。これは標的反射器133の位置
を変えることによつて可能である。
The output signal from the detector 121 is also used as a trigger signal for the sweep voltage generation circuit 126 of the streak tube 125. The generation of the sweep voltage is performed in synchronization with the reflected pulsed laser light from the target 133 reaching the photocathode 125-1 of the streak tube 125. Optimization of this synchronization is possible by changing the delay time by changing the interval between the reflecting mirrors 118 and 119 or the cable length. The length of the sweep is at least as long as the target reflector 13
Planar reflector 10 with reflected pulsed laser light from 3
It is necessary that one output light from 4-1 be included in one sweep. To obtain even higher resolution, it is necessary that the two pulses be close together. This is possible by changing the position of target reflector 133.

標的反射器133と平面反射鏡104−1とか
らの反射光は、スリツト123、レンズ124を
経てストリークチユーブ125の光電面125−
1に入射する。ストリークチユーブ125内で電
子ビーム流に変換された光パルスは、電圧掃引さ
れてチヤンネル形光電子増倍プレート125−3
に入射され、ここで増倍されて螢光面125−4
にイメージ化される。このイメージの位置は、掃
引時間と対応しており、高い時間分解能が得られ
ることは公知である。
The reflected light from the target reflector 133 and the plane reflecting mirror 104-1 passes through the slit 123 and the lens 124, and then reaches the photocathode 125- of the streak tube 125.
1. The optical pulses converted into an electron beam stream within the streak tube 125 are voltage swept and passed through the channel type photomultiplier plate 125-3.
is incident on the fluorescent surface 125-4 and is multiplied here.
is visualized in the image. It is known that the position of this image corresponds to the sweep time and that high temporal resolution can be obtained.

このイメージは、レンズ127を通して撮像カ
メラ128で検知され、アナライザ129で処理
されて表示器130にデイスプレイされる。この
実施例では、標的反射器133からの反射光およ
び平面反射鏡104−1からの出力光のストリー
ク像をそのままデイスプレイする例を示してい
る。
This image is detected by an imaging camera 128 through a lens 127, processed by an analyzer 129, and displayed on a display 130. This embodiment shows an example in which a streak image of the reflected light from the target reflector 133 and the output light from the plane reflecting mirror 104-1 is displayed as is.

ここで必要な情報は2つのパルスの到来時間差
である。いま、信号映像131で示されるイメー
ジのパルスを平面反射鏡104−1からのn番目
の出力パルス、信号映像132で示されるイメー
ジのパルスを標的反射器133からの反射パルス
とし、その時間差すなわち当該距離差がδ(表示
器130における表示)の場合、標的までの距離
ρは、システム内の固有の遅延を除けば次式で表
わすことができる。
The information required here is the arrival time difference between the two pulses. Now, let us assume that the pulse of the image shown in the signal image 131 is the n-th output pulse from the plane reflecting mirror 104-1, and the pulse of the image shown in the signal image 132 is the reflected pulse from the target reflector 133, and the time difference between them, that is, the corresponding If the distance difference is δ (displayed on display 130), then the distance ρ to the target can be expressed by the following equation, excluding the inherent delay in the system.

ρ=nL+δ/2 ………(6) 空洞共振往復間隔Lは、レーザ干渉計105で
制御することにより、実用的にも10-8程度の誤差
すなわち50Kmに対して0.5mmの誤差内となるよう
に一定化しうるものである。ストリークチユーブ
125の分解能は、一般製品で10ps(長さ換算で
3mm)程度のものがある。一方、パルスレーザ発
振器101においては、パルス幅が10ps程度の充
分な高出力パルスレーザ光を出力しうる状況にあ
る。
ρ=nL+δ/2 (6) By controlling the cavity resonant reciprocating interval L with the laser interferometer 105, it can be practically within an error of about 10 -8 , that is, an error of 0.5 mm for 50 km. It can be made constant like this. The resolution of the Streak Tube 125 is approximately 10 ps (3 mm in length) as a general product. On the other hand, the pulsed laser oscillator 101 is in a situation where it can output sufficiently high-power pulsed laser light with a pulse width of about 10 ps.

したがつて、これらにより、上記実施例の装置
構成で所望の遠距離について所望の精度での測距
が可能となる。
Therefore, with these features, it is possible to measure a desired long distance with a desired accuracy using the device configuration of the above embodiment.

なお、上記実施例において、シヤツター122
をストリークチユーブ125の前に入れてあるの
は、平面反射鏡104−1からの直接の反射光お
よび初期の出力光が強力の場合、ストリークチユ
ーブ125の光電面121−1を保護するため、
それらを一時的に遮断するためのものである。
In addition, in the above embodiment, the shutter 122
is placed in front of the streak tube 125 in order to protect the photocathode 121-1 of the streak tube 125 when the direct reflected light and the initial output light from the plane reflector 104-1 are strong.
This is to temporarily block them.

最後に、この装置の実現性について、更に具体
的に説明する。
Finally, the feasibility of this device will be explained in more detail.

上記実施例において、パルスレーザ発振器10
1にNd−YAGレーザの第2高調波光(波長
0.53μm)を使用するものとし、この出力を
10mJ/パルスとする。これはパルス幅を10psと
するとパワーが1GWのレーザ光であり、このよ
うなレーザ光は現在のレーザ技術では充分に実現
が可能である。このレーザ光の1パルス当りの出
力光子(フオトン)の数は約2.7×1016個である。
In the above embodiment, the pulse laser oscillator 10
1. The second harmonic light (wavelength) of the Nd-YAG laser
0.53μm), and this output is
10mJ/pulse. This is a laser beam with a power of 1 GW when the pulse width is 10 ps, and such a laser beam is fully achievable with current laser technology. The number of output photons (photons) per pulse of this laser light is approximately 2.7×10 16 .

上記実施例において、平面反射鏡104−1,
104−2の直径Dを20cm、間隔Lを10m、入射
レーザビームの径dを5cmとして、2nL=100Km
(標的までの距離ρ=50Kmを想定)、平面反射鏡1
04−1の反射率R1=99.9%、平面反射鏡104
−2の反射率R2=100%とした場合について、式
(1)〜(5)により、n=5000回の反射後の損失による
各減衰率を計算すると、反射による減衰率Po
P0は6.7×10-9、回折による減衰率αは5.7×10-3
になる。この両減衰率を掛け合わせると3.8×
10-11になる。これは、レーザの出力の1割を平
面反射鏡104−1に分岐・入射するとしても、
その光子数は2.7×1015個であるので、平面反射
鏡104−1,104−2間をn回(たとえば
5000回)往復した後でも約105個の光子を含むパ
ルスが得られることを示している。すなわち、実
施例の系で距離50Km程度の測距を成し得るシステ
ム構成が充分に可能であることを示すものであ
る。
In the above embodiment, the plane reflecting mirror 104-1,
Assuming that the diameter D of 104-2 is 20cm, the interval L is 10m, and the diameter d of the incident laser beam is 5cm, 2nL = 100Km
(assuming distance to target ρ = 50km), plane reflector 1
Reflectance R 1 of 04-1 = 99.9%, flat reflector 104
-2 reflectance R 2 = 100%, the formula
Using (1) to (5), when calculating each attenuation rate due to loss after n = 5000 reflections, the attenuation rate due to reflection P o /
P 0 is 6.7×10 -9 , and the attenuation factor α due to diffraction is 5.7×10 -3
become. Multiplying these two attenuation rates is 3.8×
It becomes 10 -11 . This means that even if 10% of the laser output is branched and incident on the plane reflecting mirror 104-1,
Since the number of photons is 2.7×10 15 , the photons are passed between the plane reflecting mirrors 104-1 and 104-2 n times (for example,
This shows that a pulse containing about 10 5 photons can be obtained even after 5000 round trips). In other words, this shows that it is fully possible to construct a system capable of measuring distances of about 50 km using the system of the embodiment.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以下、詳細に説明したように、本発明によれ
ば、測距装置としては相当大がかりなものとなる
が、特に長期的に同一箇所での継続観測を行なう
ような地殻変動観測などの遠距離区間の直接的な
測距を所望の高精度で行うことができ、その効果
は顕著である。パルスレーザ方式であるため、そ
の他の遠距離測距にも適しており、従来のジオジ
メータ、光波測距儀等で困難な数10Km以上の高精
度直接測距も、それらに代つて可能とせしめると
いう効果もある。
As explained in detail below, according to the present invention, the distance measuring device is quite large-scale, but it is especially suitable for long-distance observation such as crustal deformation observation that requires continuous observation at the same location over a long period of time. Direct distance measurement can be performed with the desired high accuracy, and the effect is remarkable. Because it uses a pulsed laser, it is also suitable for other long-distance distance measurements, making it possible to perform high-precision direct distance measurement over tens of kilometers, which is difficult to do with conventional geometers and light wave rangefinders. It's also effective.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、本発明に係るレーザ測距装置の一実
施例の構成系統図、第2図は、その空洞共振出力
光パルス列の波形図である。 101…パルスレーザ発振器、102…パルス
レーザ光、103…光学的ビームスプリツター、
104…空洞共振器形鏡装置、105…レーザ干
渉計、106…波長安定化用のレーザ発振器、1
07…光検知器、108…位相検知器、109…
増幅器、110…サーボドライバ、111…集光
レンズ、112…ビームスプリツター、113…
レンズ、114…光検知器、115…利得制御増
巾器、116…ゲート回路、117…パルスカウ
ンター、118,119…反射鏡、120…レン
ズ、121…検知器、122…電動シヤツター、
123…スリツト、124…レンズ、105…ス
トリークチユーブ、126…掃引電圧発生回路、
127…レンズ、128…撮像カメラ、129…
アナライザ、130…表示器、131,132…
信号映像、133…標的反射器。
FIG. 1 is a structural diagram of an embodiment of a laser distance measuring device according to the present invention, and FIG. 2 is a waveform diagram of a cavity resonance output optical pulse train thereof. 101... Pulse laser oscillator, 102... Pulse laser beam, 103... Optical beam splitter,
104...Cavity resonator mirror device, 105...Laser interferometer, 106...Laser oscillator for wavelength stabilization, 1
07...Photodetector, 108...Phase detector, 109...
Amplifier, 110... Servo driver, 111... Condensing lens, 112... Beam splitter, 113...
Lens, 114... Photodetector, 115... Gain control amplifier, 116... Gate circuit, 117... Pulse counter, 118, 119... Reflector, 120... Lens, 121... Detector, 122... Electric shutter,
123...Slit, 124...Lens, 105...Streak tube, 126...Sweep voltage generation circuit,
127... Lens, 128... Imaging camera, 129...
Analyzer, 130... Display device, 131, 132...
Signal image, 133...Target reflector.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 所定幅のパルスレーザ光を発射するパルスレ
ーザ発振器と、レーザ光干渉を利用して往復反射
間隔を所定精度で所定値に制御・保持するように
した空洞共振系と、入射されるパルスレーザ光に
ついての時間差を検出するストリークチユーブカ
メラ系と、上記パルスレーザ発振器から発射され
たパルスレーザ光を受け、これを測距対象の標的
および上記空洞共振系に対して分岐・投射せしめ
るとともに、それらからの上記パルスレーザ光の
各反射光を上記ストリークチユーブカメラ系に入
射せしめるようにする送受光学系とを少なくとも
具備し、上記標的から反射されてくるパルスレー
ザ光と上記空洞共振系で往復反射をして取り出さ
れたパルスレーザとを検出・識別し、それらの両
パルスレーザ光間の時間差に相当する距離と上記
空洞共振器内でのパルスレーザ光の往復距離とに
より、上記標的までの距離を算出・測定しうるよ
うにしたレーザ測距装置。
1. A pulsed laser oscillator that emits a pulsed laser beam with a predetermined width, a cavity resonant system that uses laser beam interference to control and maintain the round-trip reflection interval at a predetermined value with a predetermined precision, and an incident pulsed laser beam. A streak tube camera system that detects the time difference between It includes at least a transmitting/receiving optical system that allows each reflected light of the pulsed laser light to enter the streak tube camera system, and the pulsed laser light reflected from the target is reflected back and forth by the cavity resonant system. The distance to the target is calculated based on the distance corresponding to the time difference between the two pulsed laser beams and the round trip distance of the pulsed laser beam within the cavity resonator. A laser distance measuring device that enables measurements.
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